CN108223715B - 一种混合动力变速器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合动力变速器，包括前排行星齿轮系统、后排行星齿轮系统及离合器系统；后排行星齿轮系统设有第二后排太阳轮(S3)；变速器还设有第四离合器(C4)，变速器将电机定子固定在变速器壳体上，将电机转子与第二后排太阳轮(S3)相连接；发动机通过第四离合器(C4)与前排齿圈(R1)连接。采用上述技术方案，可以实现不同的工作模式，使发动机和电机协同工作，动力性可大大提升；通过对发动机和电机不同的控制方式，可实现发电、助力、能量回收和扭矩分配等功能；结构简单、紧凑、成本较低。

Description

一种混合动力变速器及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车自动变速器的技术领域。更具体地，本发明涉及一种混合动力变速器，是将AT变速器改造成P2结构混动变速器的结构及控制方法。
背景技术
混合动力车型一般具备发动机和电动机两种动力转换装置，通过传动系统驱动车轮；这种传动系统，丰田称之为动力分离装置(Power Split Device)，其核心部件为一组行星齿轮系统，本田设计出i-MMD(intelligent Multi-Mode Drive，智能多模式驱动)混动系统，也具备一定竞争力，而其他厂家只能设计更加复杂的行星齿轮系统来搭建自己的混动平台。
目前，本行业有些企业的自动变速箱已经量产，4AT、5AT在油耗、效率等方面已明显没有优势，巨大的设备投资处于尴尬境地；6AT、8AT、CVT和DCT也要向混合动力的方向发展，这是必然趋势。
但是，现有技术对自动变速箱向混合动力的改造，还没有成熟的技术方案。
发明内容
本发明提供一种混合动力变速器，其目的是获得更多的档位并获得新的功能。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的混合动力变速器，包括前排行星齿轮系统、后排行星齿轮系统及离合器系统；所述的后排行星齿轮系统设有第二后排太阳轮S3；所述的变速器还设有第四离合器C4，其特征在于：所述的变速器将电机定子固定在变速器壳体上，将电机转子与第二后排太阳轮S3相连接；发动机通过第四离合器C4与前排齿圈R1连接。
所述的变速器还包括：第一制动器B1、第二制动器B2、第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、单向离合器F1、前排行星架K1、第一后排行星架K2、第二后排行星架K3、第一后排齿圈R2、第二后排齿圈R3、前排太阳轮S1、第一后排太阳轮S2、第二后排太阳轮S3；
发动机经过第四离合器C4连接到前排齿圈R1，第一离合器C1连接前排行星架K1和第二后排太阳轮S3，第二离合器C2连接前排齿圈R1和第一后排行星架K2；第三离合器C3连接前排行星架K1和第一后排太阳轮S2；第一制动器B1固定第一后排太阳轮S2；第二制动器B2和单向离合器F1用于固定第一后排行星架K2；前排太阳轮S1与壳体固定连接；
所述的第一后排行星架K2与第二后排齿圈R3连接；所述的第一后排齿圈R2与第二后排行星架K3连接后输出，经主减、差速器后驱动车轮。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的混合动力变速器的控制方法，其技术方案是：
所述的控制方法实现以下三种模式的动力传递路线：1、发动机模式；2、电动模式，3、混动模式。
在所述的发动机模式下，电机不工作，可实现六个前进档位和一个倒档。
所述的电动模式下，可实现五个前进挡和一个倒挡。发动机不工作，仅仅靠电机驱动车辆；在制动和滑行时，可通过电机进行能量回收；
在所述的混动模式下，可实现六个前进挡和一个倒挡，并且每个挡位下都具备发电、助力、能量回收和扭矩分配的功能。
该控制方法的控制策略包括以下步骤：
开始；
步骤301、判断电机或高压系统是否有故障，如果是，则进入步骤302；如果否，则进入步骤303；
步骤302、采用发动机模式控制；然后返回步骤301；
步骤303、判断用户是否选择电动模式，或电量是否充足，如果是，则进入步骤304；如果否，则进入步骤305；
步骤304、采用电动模式控制；然后返回步骤301；
步骤305、按照混动模式换档线确定目标档位；
步骤306、判断是否有发电需求，如果是，则进入步骤307；如果否，则进入步骤308；
步骤307、进行发电控制；然后返回步骤301；
步骤308、判断是否有助力需求，如果是，则进入步骤309；如果否，则进入步骤310；
步骤309、进行助力控制；然后返回步骤301；
步骤310、判断是否有能量回收需求，如果是，则进入步骤311；如果否，则进入步骤312；
步骤311、进行能量回收控制；然后返回步骤301；
步骤312、进行高级起停与扭矩分配控制；然后返回步骤301。
本发明采用上述技术方案，可以实现不同的工作模式，使发动机和电机协同工作，动力性可大大提升；通过对发动机和电机不同的控制方式，可实现发电、助力、能量回收和扭矩分配等功能；结构简单、紧凑、成本较低。
附图说明
图1是现有技术中的6AT自动变速器的传动简图；
图2为本发明改进的6AT自动变速器的传动结构示意图；
图3为本发明的6AT自动变速器的速度线图；
图4是本发明的控制程序图。
B1、第一制动器，B2、第二制动器，C1、第一离合器，C2、第二离合器，C3、第三离合器，C4、第四离合器，F1、单向离合器，K1、前排行星架，K2、第一后排行星架，K3、第二后排行星架，R1、前排齿圈，R2、第一后排齿圈，R3、第二后排齿圈，S1、前排太阳轮，S2、第一后排太阳轮，S3、第二后排太阳轮。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图2所示本发明的结构，为一种混合动力变速器，包括前排行星齿轮系统、后排行星齿轮系统及离合器系统；所述的后排行星齿轮系统设有第二后排太阳轮S3；所述的变速器还设有第四离合器C4。图1是某6AT自动变速器改造前后的传动简图；图2与其区别是：通过将电机定子固定在壳体上，将电机转子与S3相连；用第四离合器取代液力变矩器，用原液力变矩器相关的液压回路和电磁阀控制第四离合器C4。
为了克服现有技术存在的缺陷，实现获得更多的档位并获得新的功能的发明目的，本发明采取的技术方案为：
如图2所示，本发明的混合动力变速器，所述的变速器将电机定子固定在变速器壳体上，将电机转子与第二后排太阳轮S3相连接；发动机通过第四离合器C4与前排齿圈R1连接。
在原6AT变速器的基础上，将电机定子固定在变速器的壳体上，将电机转子与S3相连，用离合器取代液力变矩器；通过控制发动机和电机的工作模式，可实现更多中动力传递路线：
上述技术方案是将电机安装在变速器中，发动机可由第四离合器C4接合或断开，得到了更多的动力传递路径并获得了新的功能，通过对发动机和电机不同的控制方式，就可实现发电、助力、能量回收和扭矩分配等功能。
所实现的控制策略，除了进行换挡控制，还包括发动机和电机的工作模式和扭矩控制。
本发明的结构方案是：
所述的变速器还包括：第一制动器B1、第二制动器B2、第一离合器C1、第二离合器C2、第三离合器C3、单向离合器F1、前排行星架K1、第一后排行星架K2、第二后排行星架K3、第一后排齿圈R2、第二后排齿圈R3、前排太阳轮S1、第一后排太阳轮S2、第二后排太阳轮S3；
发动机经过第四离合器C4连接到前排齿圈R1，第一离合器C1连接前排行星架K1和第二后排太阳轮S3，第二离合器C2连接前排齿圈R1和第一后排行星架K2；第三离合器C3连接前排行星架K1和第一后排太阳轮S2；第一制动器B1固定第一后排太阳轮S2；第二制动器B2和单向离合器F1用于固定第一后排行星架K2；前排太阳轮S1与壳体固定连接；
所述的第一后排行星架K2与第二后排齿圈R3连接；所述的第一后排齿圈R2与第二后排行星架K3连接后输出，经主减、差速器后驱动车轮。
本发明的上述技术方案的优点是：
1、结构简单、改造成本较低；
2、完全保留了原变速器在发动机模式下的所有动力传递路线，还实现了电动模式和混动模式；
3、可实现高级起停、发电、助力、能量回收和扭矩分配功能。
为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的混合动力变速器的控制方法，其技术方案是：
本发明还提供一种并联式混动变速器的控制策略。通过变速器控制单元进行换挡控制，并控制发动机和电机的工作模式及请求扭矩，统一协调发动机、电机和变速器，实现高级起停、发电、助力、能量回收和扭矩分配等功能。
所述的控制方法实现以下三种模式的动力传递路线：1、发动机模式；2、电动模式，3、混动模式。
在所述的发动机模式下，保留了原变速器的7种动力传递路线：电机不工作，可实现六个前进档位和一个倒档。
所述的电动模式下，可实现五个前进挡和一个倒挡。
在所述的混动模式下，可实现六个前进挡和一个倒挡，并且每个挡位下都具备发电、助力、能量回收和扭矩分配等功能。
本发明是将传统自动变速器改造成P2结构混动变速器的技术方案。由于AT变速器本身就是行星齿轮系统组成的，因此将其改造成混动变速器有天然的优势。其速度线图如图3所示，由于变速器变成了两个输入源——发动机和电机，且发动机可由第四离合器C4接合或断开，电机也有不工作、驱动和发电三种状态；因此动力传递路线更加灵活，具体介绍如下：
由于变速器变成了两个输入源，每种动力传递路线都有各自的发动机速比和电机速比；且换挡元件控制与原变速器控制完全相同，因此各挡位的发动机速比与原变速器的情况相同。
各挡位的电机速比计算如下：
im1＝(ZR3/ZS3+1)：1＝3.048
im2＝(ZR3/ZS3+1+ZR2/ZS2)：(1+ZR2/ZS2)＝1.714
im3＝1
im4＝ZR1×(ZR1/ZS3+1)/ZS1：(ZR1×(ZR1/ZS3+1)/ZS1+ZR3/ZS3)＝0.728
im5＝ZR3/ZS3：(1+ZR2/ZS2+ZR2×ZR1/ZS2/ZS1)+1＝1.329
im6＝(ZR3/ZS3+1+ZR2/ZS2)：(1+ZR2/ZS2)＝1.714
各挡速比如表1所示：
表1
变速器挡位 发动机速比i 电机速比im
1 4.459 3.048
2 2.508 1.714
3 1.556 1
4 1.142 0.728
5 0.851 1.329
6 0.672 1.714
此外，还提供一种停车发电功能的动力传递方式：当车辆静止时，换挡杆处于P挡位置或者制动踏板被踹下，通过控制第一离合器C1和第四离合器C4接合，发动机即可驱动电机发电。
电机不工作，仅发动机工作时，即为发动机模式，可提供六个前进挡位和一个倒挡，完全保留了原变速器的功能。
通过第四离合器C4，将发动机完全从动力传动系统中脱开，仅仅靠电机驱动车辆，即为电动模式，可实现零排放。由于二挡和六挡的电机速比相同，因此可提供5个前进挡和1个倒挡；由此可见，电机的性能将得到大幅度提升。
而在混动模式下，针对上述的各种动力传递方式通过对发动机和电机不同的控制方式，就可实现发电、助力、能量回收和扭矩分配等功能。
如图4所示，本发明还提供上述并联式混动变速器的控制策略。变速器控制单元(TCU)实现控制策略，TCU除了进行换挡控制，还需要计算发动机和电机的请求扭矩，并通过CAN总线与发动机控制单元(ECU)、电机控制单元(MCU)进行信息交互。
该控制方法的控制策略包括以下步骤：
开始；
步骤301、判断电机或高压系统是否有故障，如果是，则进入步骤302；如果否，则进入步骤303；
步骤302、采用发动机模式控制；然后返回步骤301；
步骤303、判断用户是否选择电动模式，或电量是否充足，如果是，则进入步骤304；如果否，则进入步骤305；
步骤304、采用电动模式控制；然后返回步骤301；
步骤305、按照混动模式换档线确定目标档位；
步骤306、判断是否有发电需求，如果是，则进入步骤307；如果否，则进入步骤308；
步骤307、进行发电控制；然后返回步骤301；
步骤308、判断是否有助力需求，如果是，则进入步骤309；如果否，则进入步骤310；
步骤309、进行助力控制；然后返回步骤301；
步骤310、判断是否有能量回收需求，如果是，则进入步骤311；如果否，则进入步骤312；
步骤311、进行能量回收控制；然后返回步骤301；
步骤312、进行高级起停与扭矩分配控制；然后返回步骤301。
以下结合图4，对本发明的控制策略进行详细说明：
步骤301～302，当电机或高压系统出现故障时，电机不可使用，故按照双换挡参数方法确定发动机模式下的换挡线。双换挡参数方法是用车速和油门踏板开度来确定目标挡位，属于现有技术，在此不做赘述。根据发动机实验提供的pedal map曲线，TCU通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到需求扭矩，并作为发动机请求扭矩发送给ECU。
步骤303～304，当用户选择了电动模式或电池电量SOC＞85％时，进行电动模式控制，通过C4离合器始终将发动机断开。根据上述分析，电机5挡速比正好落在2、3挡速比中间，而6挡速比等于2挡速比；因此升挡的顺序应为1→2→5→3→4。电动模式换挡线仍然按照双换挡参数方法确定，并得到目标挡位。根据电机电动扭矩曲线，TCU通过油门踏板信号和电机转速查表即可得到需求扭矩，并作为电机请求扭矩发送给MCU。
当前模式为电动模式，用户未选择电动模式且电池电量＜80％时，退出电动模式。
步骤305，按照双换挡参数方法确定混动模式换挡线，并得到目标挡位。步骤306～307，检测到车辆处于行驶状态且电池电量SOC＜10％时，进行发电控制。发动机扭矩一部分用来驱动车辆，一部分用来发电。根据pedal map曲线，TCU通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到需求扭矩Tdemand；根据电机持续发电扭矩曲线，TCU通过油门踏板信号和电机转速查表即可得到发电扭矩Tgen(为负值)，并作为电机请求扭矩；由于每个挡位下发动机与扭矩有不同的速比，将电机扭矩折算到发动机端则为Tgen×im/i；因此发动机请求扭矩为Tdemand-Tgen×im/i。
步骤308～309，检测到油门踏板开度＞85％且SOC＞35％时，进行助力功能控制；此时，为满足用户的动力需求，电机和发动机一起驱动车辆。在该状态的前5秒，根据电机5秒峰值扭矩输出曲线，由电机转速查表得到当前工况下电机能提供的最大扭矩作为电机请求扭矩；5秒计时到后，根据电机持续扭矩输出曲线，由电机转速查表得到电机请求扭矩。根据发动机外特性曲线，TCU通过发动机转速查表即可得到当前工况下发动机能达到的最大扭矩，并作为发动机请求扭矩。
步骤310～311，检测到制动踏板被踹下或油门踏板开度为0时，若15％＜SOC＜80，进行能量回收控制；此时，电机处于发电状态，发动机处于倒拖状态，整车的动能一部分用于电机发电，一部分被发动机倒拖消耗，起到制动的目的。根据电机持续发电扭矩曲线，TCU通过油门踏板信号和电机转速查表即可得到能量回收扭矩(为负值)，并作为电机请求扭矩。
步骤312，在没有其他功能需求时，进行高级起停和扭矩分配控制。在1、2挡中小油门区域及3挡小油门区域，发动机请求扭矩设为0并断开C4离合器，只用电机进行驱动。过了上述区域后，才接合C4离合器起动发动机实现高级起停。发动机起动后，根据pedal map曲线，通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到需求扭矩。而根据发动机万有特性曲线，通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到当前工况下燃油效率最高时的发动机扭矩，可将此最大扭矩做为发动机请求扭矩；发动机请求扭矩与需求扭矩相比，不够的部分则作为电机请求扭矩；这样，发动机始终工作在燃油效率最高的区域，以此实现最佳的燃油经济性。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种混合动力变速器的控制方法，所述的混合动力变速器包括前排行星齿轮系统、后排行星齿轮系统及离合器系统；所述的后排行星齿轮系统设有第二后排太阳轮(S3)；所述的变速器还设有第四离合器(C4)；
所述的变速器将电机定子固定在变速器壳体上，将电机转子与第二后排太阳轮(S3)相连接；发动机通过第四离合器(C4)与前排齿圈(R1)连接；
所述的变速器还包括：第一制动器(B1)、第二制动器(B2)、第一离合器(C1)、第二离合器(C2)、第三离合器(C3)、单向离合器(F1)、前排行星架(K1)、第一后排行星架(K2)、第二后排行星架(K3)、第一后排齿圈(R2)、第二后排齿圈(R3)、前排太阳轮(S1)、第一后排太阳轮(S2)、第二后排太阳轮(S3)；
发动机经过第四离合器(C4)连接到前排齿圈(R1)，第一离合器(C1)连接前排行星架(K1)和第二后排太阳轮(S3)，第二离合器(C2)连接前排齿圈(R1)和第一后排行星架(K2)；第三离合器(C3)连接前排行星架(K1)和第一后排太阳轮(S2)；第一制动器(B1)固定第一后排太阳轮(S2)；第二制动器(B2)和单向离合器(F1)用于固定第一后排行星架(K2)；前排太阳轮(S1)与壳体固定连接；
所述的第一后排行星架(K2)与第二后排齿圈(R3)连接；所述的第一后排齿圈(R2)与第二后排行星架(K3)连接后输出，经主减、差速器后驱动车轮；
其特征在于：
所述的控制方法实现以下三种模式的动力传递路线：1)、发动机模式；2)、电动模式，3)、混动模式；
在所述的发动机模式下，电机不工作，可实现六个前进档位和一个倒档；
在所述的电动模式下，可实现五个前进挡和一个倒挡；
在所述的混动模式下，可实现六个前进挡和一个倒挡，并且每个挡位下都具备发电、助力、能量回收和扭矩分配的功能；
该控制方法的控制策略包括以下步骤：
开始；
步骤301、判断电机或高压系统是否有故障，如果是，则进入步骤302；如果否，则进入步骤303；
步骤302、采用发动机模式控制；然后返回步骤301；
步骤303、判断用户是否选择电动模式，或电量是否充足，如果是，则进入步骤304；如果否，则进入步骤305；
步骤304、采用电动模式控制；然后返回步骤301；
步骤305、按照混动模式换档线确定目标档位；
步骤306、判断是否有发电需求，如果是，则进入步骤307；如果否，则进入步骤308；
步骤307、进行发电控制；然后返回步骤301；
步骤308、判断是否有助力需求，如果是，则进入步骤309；如果否，则进入步骤310；
步骤309、进行助力控制；然后返回步骤301；
步骤310、判断是否有能量回收需求，如果是，则进入步骤311；如果否，则进入步骤312；
步骤311、进行能量回收控制；然后返回步骤301；
步骤312、进行高级起停与扭矩分配控制；然后返回步骤301；
在所述的步骤301～302中，当电机或高压系统出现故障时，电机不可使用，故按照双换挡参数方法确定发动机模式下的换挡线；根据发动机实验提供的pedal map曲线，TCU通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到需求扭矩，并作为发动机请求扭矩发送给ECU；
在所述的步骤303～304中，当用户选择了电动模式或电池电量SOC＞85％时，进行电动模式控制；通过第四离合器(C4)始终将发动机断开；电机5挡速比落在2、3挡速比中间，而6挡速比等于2挡速比；因此升挡的顺序为1→2→5→3→4；电动模式换挡线仍然按照双换挡参数方法确定，并得到目标挡位；根据电机电动扭矩曲线，TCU通过油门踏板信号和电机转速查表即可得到需求扭矩，并作为电机请求扭矩发送给MCU；
如果当前模式为电动模式，用户未选择电动模式且电池电量＜80％时，退出电动模式；
在步骤305中，按照双换挡参数方法确定混动模式换挡线，并得到目标挡位；
在步骤306～307中，检测到车辆处于行驶状态且电池电量SOC＜10％时，进行发电控制；发动机扭矩一部分用来驱动车辆，一部分用来发电；根据pedal map曲线，TCU通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到需求扭矩Tdemand；根据电机持续发电扭矩曲线，TCU通过油门踏板信号和电机转速查表即可得到发电扭矩Tgen，为负值，并作为电机请求扭矩；由于每个挡位下发动机与扭矩有不同的速比，将电机扭矩折算到发动机端则为Tgen×im/i；因此发动机请求扭矩为Tdemand-Tgen×im/i；
在步骤308～309中，检测到油门踏板开度＞85％且SOC＞35％时，进行助力功能控制；此时，为满足用户的动力需求，电机和发动机一起驱动车辆；在该状态的前5秒，根据电机5秒峰值扭矩输出曲线，由电机转速查表得到当前工况下电机能提供的最大扭矩作为电机请求扭矩；5秒计时到后，根据电机持续扭矩输出曲线，由电机转速查表得到电机请求扭矩；根据发动机外特性曲线，TCU通过发动机转速查表即可得到当前工况下发动机能达到的最大扭矩，并作为发动机请求扭矩；
在步骤310～311中，检测到制动踏板被踹下或油门踏板开度为0时，若15％＜SOC＜80％，进行能量回收控制；此时，电机处于发电状态，发动机处于倒拖状态，整车的动能一部分用于电机发电，一部分被发动机倒拖消耗，起到制动的目的；根据电机持续发电扭矩曲线，TCU通过油门踏板信号和电机转速查表即可得到能量回收扭矩，为负值，并作为电机请求扭矩；
在步骤312中，在没有其他功能需求时，进行高级起停和扭矩分配控制；在1、2挡中小油门区域及3挡小油门区域，发动机请求扭矩设为0并断开第四离合器(C4)，只用电机进行驱动；过了上述区域后，才接合第四离合器(C4)起动发动机实现高级起停；
发动机起动后，根据pedal map曲线，通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到需求扭矩；而根据发动机万有特性曲线，通过油门踏板信号和发动机转速查表即可得到当前工况下燃油效率最高时的发动机扭矩，可将此最大扭矩做为发动机请求扭矩；发动机请求扭矩与需求扭矩相比，不够的部分则作为电机请求扭矩；这样，发动机始终工作在燃油效率最高的区域，以此实现最佳的燃油经济性。
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